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通信電源配套ATS高可靠改造與展望

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通信電源配套ATS高可靠改造與展望

鐵路系統因調度、通訊、信號的需要，對電源要求嚴苛，不僅配了雙市電自動切換（優選質量好的那路，兩路都正常則選第一路），而且后備蓄電池組（切換期間或切換失敗供電），并為電源適配器配置了后臺監控（發現問題及時排查）；
依據歷史數據，兩路市電同時停電的概率極小（基本可以忽略不計），配的蓄電池也主要是為了兩路交流電相互切換間隙的供電、故障期間供電；
這樣的配置，表面上是非常可靠，但一些歷史教訓證明這樣的高可靠是偽命題！本文討論鐵路電源適配器存在的缺陷并提出優化方案（本文拋開其他因素，僅從電源適配器本身尋求優化）。
二 ATS原理
2.1  ATS功能
熟悉配電系統的都知道，兩路交流輸入因相位、電壓、頻率不同步，是不能直接并聯的，兩路交流電送入系統后會經過自動轉換開關電器（Automatic transfer switching equipment，簡稱ATS）的裝置進行切換，將負載電源適配器從一路輸入自動換接至另一路電源適配器，以確保重要負荷連續、可靠運行，ATS常常應用在重要用電場所，其產品可靠性尤為重要；



圖2.1  ATS系統原理
2.2  ATS分類
ATS分PC級、CB級、CC級三種
2.2.1 PC級：雙電源適配器切換的專用開關，具有結構簡單、體積小、自身連鎖、轉換速度快（120ms—250ms）、安全、可靠等優點，但需要配備短路保護電器，價格在萬元級。
2.2.2 CB級：由兩臺斷路器+機械連鎖+驅動組成，配備過電流脫扣器，具有短路保護功能，相對PC級價格低，適合切換時間要求不高場合，價格在千元級；
2.2.3 CC級：由兩個交流接觸器、機械互鎖機構、檢測與控制電路板組成的一個系統，用于設備級小功率場合，沒有過流保護功能，可靠性較低，切換時間也較長，價格在百元級；
2.3 當前使用ATS可靠性分析
目前基站開關電源適配器內置ATS，如果非訂制產品，基本為CC級的；
2.3.1 先分析一下CC級ATS用的交流接觸器；
功率觸點：因接通與斷開觸點瞬間會產生電弧，電弧對觸點有一定燒蝕，因此觸點操作次數是有一定壽命的，使用時間越長越易損壞；
線圈：原理類似繼電器，由線圈產生磁場吸合鐵芯從而使端子吸合，為了產生足夠的磁力，需要通過一定能量的電流，通過紅外掃描會發現線圈部分溫升很高，長期工作溫度可能達20度甚至30度（參考圖2.3.1），溫升會加速內部活動部件失油、會讓功率觸點加速氧化、會使線圈絕緣狀況惡化，因此本身可靠性就不高；

 
              圖2.3.1  對運行接觸器紅外熱成像掃描
2.3.2 控制電路：對ATS可靠性至關重要，直接決定切換成功與失敗，依據以往維護經驗，故障率很高，特別是用在山上（雷擊）、海邊區域（腐蝕）；
2.3.3 機械互鎖機構：雙電源適配器ATS兩個交流接觸器拼裝而成，為了防止誤動作（同時吸合），兩接觸器中間有一個機械互鎖裝置，在長期高溫環境中，易缺油卡死；
2.3.4 電氣互鎖機構：為了充分保證可靠性，兩接觸器還有電氣互鎖功能：一個交流接觸器的線圈控制電壓需經過另外一個交流接觸器的常閉觸點，也就是說，如果要接觸器1吸合，接觸器2必需處于斷開狀態（也就是說常閉觸點閉合），如果接觸器2常閉觸點氧化或其他原因斷開，則接觸器1永遠無吸合可能（參考圖2.3.4）；從圖2.3.4也可看出，CC級ATS接線較復雜，互鎖裝置裝配有難度，所以因故障導致的維護時間也會較長，對維護人員技術水平要求也高，直接結果是故障恢復時間長；



 
   圖2.3.4 交流接觸器組成CC級ATS接線圖
2.3.5 采樣電路：ATS控制電路會依據采樣電路送來信號對交流電源適配器進行判斷，決定使用哪路交流電，因此送來的采樣信號對ATS工作也有很大影響；
2.4  可靠性分析（只分析相關部分，對其余配電因素不考慮）
發現有配一組蓄電池組的站點，我們以配一組蓄電池配ATS與配兩組電池不配ATS分析可靠性差異；
2.4.1 由上面分析可知，CC級ATS本身就是一個精密控制系統，有采樣電路、控制電路、互鎖機構與執行機構，任一個部件有問題都會導致切換失敗（切換失敗直接結果就是：有電不能用），假設交流接觸器線圈本身可靠度為R1、機械互鎖機構可靠度為R2、電氣互鎖機構可靠度為R3、控制電路可靠度為R4、采樣電路可靠性為R5，假設每個的可靠性均為0.98，則ATS系統可靠性為：
Rats=R1*R2*R3*R4*R5=0.99*0.99*0.99*0.99*0.99=0.95099
2.4.2 一組與兩組蓄電池可靠性分析



圖2.4.2 兩組蓄電池可靠性模型
假設單蓄電池組可靠性為0.99，則兩組并聯可靠性：
R=【1-(1-R1)*(1-R2)】=1-(1-0.99)*(1-0.99)=0.9999
可見通過電池并聯，可大大提高系統可靠性，所以在配置時，建議選配兩組蓄電池；
2.4.3 以配ATS&配一組蓄電池分析，假設整流模塊組的可用性為0.9999，系統模型：



圖2.4.3 CC級ATS配單組蓄電池系統可靠性模型
Ra=0.95099*0.9999*0.99=0.94134
2.4.4 以不配ATS&配兩組蓄電池分析，整流模塊組可用性仍為0.9999，系統模型：


圖2.4.4 不配ATS并配兩組蓄電池系統可靠性模型
Rb=0.9999*0.9999=0.9998
2.4.5 兩組方案不可靠度對比
（1-0.94134）/(1-0.9998)=0.05866/0.0002=293倍
可算出采用ATS與配一組蓄電池與不采用ATS配兩組蓄電池的不可靠性相差293倍，依據以往的維護經驗，ATS在實際應用中間也確實是存在不少問題，需要投入大量的人力與物力（配后臺監控等），在極端情況下：兩路市電都正常，ATS損壞，模塊不能工作，蓄電池組放電，電池組異常導致來不及搶修而宕站；
 對于蓄電池組的配置，不再深入討論（增配即可），下面主要討論一下CC ATS的優化問題；

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| 發布時間：2018.06.25    來源：電源適配器廠家
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